[논문 리뷰] Petahertz Spintronics

Florian Siegrist, Julia Anthea Gessner외 13명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 18.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 33인용 수 66

한 줄 요약

논문은 거의 한 사이클에 가까운 레이저 펄스를 사용하여 강자성 층에서 스핀 동역학을 아토초 규모로 제어하는 것을 시연하고, attosecond magnetic circular dichroism (atto-MCD)을 도입하여 광학적으로 유도된 스핀 및 궤도 모멘텀 전달을 드러내며 페타헤르츠 시계 속도 스핀트로닉스를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The enigmatic coupling between electronic and magnetic phenomena was one of the riddles propelling the development of modern electromagnetism. Today, the fully controlled electric field evolution of ultrashort laser pulses permits the direct and ultrafast control of electronic properties of matter and is the cornerstone of light-wave electronics. In sharp contrast, because there is no first order interaction between light and spins, the magnetic properties of matter can only be affected indirectly on the much slower tens-of-femtosecond timescale in a sequence of optical excitation followed by the rearrangement of the spin structure. Here we record an orders of magnitude faster magnetic switching with sub-femtosecond response time by initiating optical excitations with near-single-cycle laser pulses in a ferromagnetic layer stack. The unfolding dynamics are tracked in real-time by a novel attosecond time-resolved magnetic circular dichroism (atto-MCD) detection scheme revealing optically induced spin and orbital momentum transfer (OISTR) in synchrony with light field driven charge relocation. In tandem with ab-initio quantum dynamical modelling, we show how this mechanism provides simultaneous control over electronic and magnetic properties that are at the heart of spintronic functionality. This first incarnation of attomagnetism observes light field coherent control of spin-dynamics in the initial non-dissipative temporal regime and paves the way towards coherent spintronic applications with Petahertz clock rates.

연구 동기 및 목표

• 수십 femtoseconds를 넘어서는 자기 특성의 초고속 빛 파동 제어를 추구하도록 동기를 부여한다.
• 초아토초 이하의 자기 스위칭이 초단 레이저 필드에 의해 구동되는 강자성 스택에서 시연된다.
• 실시간으로 스핀 및 궤도 모멘텀 전달을 추적하기 위해 attosecond time-resolved magnetic circular dichroism (atto-MCD)을 개발하고 적용한다.

제안 방법

• 거의 한 사이클에 가까운 레이저 펄스로 강자성 층 스택을 들뜨게 하여 광학적 들뜸을 시작한다.
• 그 후의 동역학을 real-time으로 추적하기 위해 attosecond time-resolved magnetic circular dichroism (atto-MCD)을 사용한다.
• 실험적 아토초 측정과 ab-initio quantum dynamical modelling을 결합하여 스핀 및 궤도 모멘텀 전달 (OISTR)을 해석한다.
• 광장 필드 주도 전하 재배치와 자기 응답 간의 결합을 분석하여 스핀트로닉 기능을 이해한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광장 필드 코히런트 제어가 초기 비에너지 손실 비영역에서 스핀-다이나믹스의 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 초고속 들뜸 하에서 광학적으로 유도된 스핀 및 궤도 모멘텀 전달은 전하 재배치와 동기화되어 어떻게 발생하는가?
• RQ3 전자적 및 자기적 특성의 동시 제어에 대한 OISTR의 시사점은 스핀트로닉스 관련 속성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 서브-아토초 자기 스위칭이 강자성 층 스택에서 관찰된다.
• Attosecond time-resolved MCD는 광학적으로 유도된 스핀 및 궤도 모멘텀 전달(OISTR)을 광장 필드 주도 전하 재배치와 동기화되어 검출한다.
• Ab-initio quantum dynamical modelling은 전자적 및 자기적 특성 제어를 연결하는 메커니즘을 뒷받침한다.
• 첫 번째 단계의 attomagnetism 구현을 시연하며, 초기 비에너지 손실 비영역에서 광장 파동의 코히런트 제어로 스핀 동역학이 작동한다.
• 페타헤르츠 클록 속도에서 작동하는 코히런트 스핀트로닉 응용으로의 길을 열어준다.